DE3150801A1

DE3150801A1 - Ringlaser-oszillationsantrieb

Info

Publication number: DE3150801A1
Application number: DE19813150801
Authority: DE
Inventors: Bo Hans Gunnar 07470 New Jersey Ljung
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1981-01-16
Filing date: 1981-12-22
Publication date: 1982-10-21
Also published as: NO157435B; FR2498316A1; FR2498316B1; GB2091495B; IT8219086A0; CA1154814A; NO814339L; GB2091495A; AU543272B2; SE456529B; JPS57129178A; AU7862381A; SE8200151L; US4370583A; IT1149448B; NO157435C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ringlaser-Öszillationsantrieb der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen · Gattung.

Derartige Oszillationsantriebe für Ringlaser sind bekannt. Sie-dienen dazu, bei den eine besondere Art von Kreiseln darstellenden Eingläsern Zitterbewegungen hervorzurufen, nämlich hin- und hergehende Drehschwingungen um die Eingangsachse ^ um bestimmte Störungen zu vermeiden. Bei diesen bekannten Oszillationsantrieben ist der bzw. jeder piezoelektrische Wandler an die zugehörige Speiche in einem stark beanspruchten Bereich derselben in der Nähe der inneren Nabe angeklebt, so daß - die Verklebung aufgrund der hohen Beanspruchungen während des Oszillationsantriebbetriebes beschädigt oder zerstört werden kann. Wegen der hohen Belastungen müssen darüber hinaus sehr dünne piezoelektrische Elemente in den Wandlern verwendet werden, so daß diese Oszi.llationsantriebe teuer sind.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Ringlaser-Oszillationsantriebe ist darin zu sehen, daß der bzw. jeder piezoelektrische Wandler auf einer Seite an der Speiche, mit welcher er verbunden ist, geerdet ist. Die den piezoelektrischen Wandler treibenden, zur Erde fließenden Ströme bewirken das Auftreten von Fehlerspannungen in anderen Schaltkreisen, welche genau so geerdet sind. In manchen Fällen kann dieses Problem so groß werden, daß der Oszillationsantrieb mit Hilfe eines Irenntransformators getrieben werden muß. Derartige Ttenntransformatoren sind schwer und vor allem dann nicht erwünscht·, wenn der jeweilige Ringlaser als Kreisel in der bordeigenen Navigationsausrüstung von Luft- oder Raumfahrzeugen verwendet werden soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, insbesondere die geschilderten Nachteile zu vermeiden. Diese Aufgabe ist

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durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1, 6 und 7 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Einglaser-Oszillationsantriebes sind in den restlichen Ansprüchen gekennzeichnet.

Beim erfindungsgemäßen Ringlaser-Oszillationsantrieb ist der bzw. jeder als Antriebselement oder Stellglied wirkende piezoelektrische Wandler an der zugehörigen Speiche so angebracht, daß sein Zentrum sich an einer Speichenstelle, mit "neutralem Radius" befindet und der nabenseitige Abschnitt des piezoelektrischen Wandlers einerseits sowie der felgenseitige Abschnitt des piezoelektrischen Wandlers an-. dererseits etwa gleich große aber einander entgegengesetzte Belastungen erfahren, wenn die Speiche und der piezoelektrische Wandler gebogen werden. Auf der der Speiche abgewandten Seite ist das den aktiven Teil des Wandlers bildende piezoelektrische Element mit zwei gesonderten Elektroden versehen, nämlich einer inneren und einer äußeren Elektrode, während auf der anderen, der Speiche zugewandten Seite eine einzige Rückenelektrode vorgesehen ist. Die innere und die äußere Elektrode werden mittels Wechselspannung entgegengesetzt zueinander druckzuggetrieben. Es ergibt sich so ein symmetrischer Antrieb, wobei die Rückenelektrode virtuell auf Erdpotential bleibt. Die wechselnde Spannung bewirkt, daß die Enden des piezoelektrischen Wandlers aufeinanderfolgend S-förmig gebogen werden, was eine Hin- und Herbewegung oder ein Oszillieren der äußeren Felge zur Folge hat.

Die Enden des piezoelektrischen Elements sind abgeschrägt, um dort die Auswirkungen von Spannungen zu vermindern. Auf diese Weise werden Beschädigungen und Zerstörungen des piezoelektrischen Elements in diesen Bereichen auf ein Mindestmaß reduziert. Da ein guter elektrischer Kontakt zwischen dem piezoelektrischen Wandler und der zugehörigen Speiche

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nicht erforderlich ist, kann er mit der Speiche mittels eines hochfesten Klebers auf einem Träger verklebt werden. Es " können daher dickere piezoelektrische Elemente verwendet werden und ist auch das bei den bekannten Oszillationsantrieben zu beobachtende Lösen der piezoelektrischen Wandler von der zugehörigen Speiche vermieden.' Bei dickeren piezoelektrischen Elementen sind die Handhabungsverluste geringer. Schließlich führt der Einsatz einer auf virtuellem Erdpotential gehalte-■ nen Rückenelektrode zu einer abgeglichenen Ausbildung ohne Erdströme, wobei leichte Druckzugverstärker anstelle von Trenntransformatoren verwendet werden können.

Nachstehend ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ringlaser-Oszillationsantriebes anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigt schematisch:

Figur 1 eine Seitenansicht eines bekannten Ringlaser-Oszillationsantriebes;

Figur 2 einen Teil eines Längsschnitts durch den piezoelektrischen Wandler des Oszillationsantriebes nach Figur 1 in größerem Maßstab;
. ·

Figur 3. die Seitenansicht entsprechend Figur 1 eines erfindungsgemäßen Ringlaser-Oszillationsantriebes; und -

Figur 4 einen Längsschnitt durch den piezoelektrischen Wandler des Oszillationsantriebes nach Figur 3 in größerem Maßstab. . .

Bei dem bekannten Oszillationsantrieb gemäß Figur 1 und 2 für einen Ringlaser mit einer stationären, inneren Nabe 2 und einer beweglichen, äußeren Felge 4-, welche mittels mehrerer radialer Speichen 6 mit der Nabe 2 verbunden ist, ist an der dargestellten Speiche 6 ein piezoelektrischer Wandler 8 als Antriebselement vorgesehen. Der piezoelektrische Wandler 8 ist mit der Speiche 6 in der Nähe der Nabe 2 elektrisch und mechanisch verklebt und wird von einer über Verbindungsleitungen 10 und 12 von einem Verstärker 14- gelieferten Spannung getrieben. Die dem Verstärker 14 an einem Eingang 16 zugeführte Wechselspannung wird verstärkt und auf die einander gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrisehen Wandlers 8 aufgebracht, um die Speiche 6 zu verbiegen. Die Rückführung erfolgt über die Speiche 6, die Nabe 2 und die geerdete Verbindungsleitung 12. Die geerdete Rückführung ist aufgeteilt und dient auch als Rücklaufbahn für andere Signale im Ringlaser, welche nichts mit dem Oszillationsantrieb zu tun haben. Die dem piezoelektrischen Wandler 8 zugeführte Wechselspannung bewirkt, daß er sich abwechselnd ausdehnt und zusammenzieht. Diese Längenänderung wird der Speiche 6 mitgeteilt, so daß sie verbogen und schließlich so deformiert wird, wie in Figur 1 mit gestrichelten Linien 6¹ angedeutet.

Im dargestellten Fall ist ein piezoelektrischer Wandler 8 auf einer Seite einer Speiche 6 angebracht. Es ist jedoch auch möglich, auf der anderen Seite der Speiche 6'einen zweiten piezoelektrischen Wandler 8 vorzusehen sowie mehrere Speichen 6 einseitig oder beidseitig mit piezoelektrischen Wandlern 8 zu bestücken. Gemäß Figur 1 wird bei dem bekannten Oszillationsantrieb der piezoelektrische Wandler 8 dicht an der Nabe 2 angeordnet, wo die Speiche 6 einigermaßen stark beansprucht ist. Obwohl die Speiche 6 tatsächlich nicht so stark verbogen wird, wie in Figur 1 durch die ausgezogenen Linien und die gestrichelten Linien 6¹ veranschaulicht, so ist den-

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noch eine beträchtliche Durchbiegung gegeben, welche dem piezoelektrischen Wandler 8 mitgeteilt Wird und dessen Verbiegung zur Folge hat. Um Schaden und Zerstörungen aufgrund von Verbiegung zu vermeiden, müssen daher sehr dünne piezoelektrische Wandler 8 verwendet werden.

Figur 2 zeigt detaillierter die bekannte Anbringung des piezoelektrischen Wandlers 8 an der Speiche 6. Der piezoelektrische Wandler 8 weist an beiden Längsflächen jeweils eine Elektrode 22 bzw. 24- auf, welche in situ ausgebildet werden, indem das Wandlerelement beispielsweise mit_: einer Silberpaste beschichtet wird, die dann gebrannt wird, um auf dem EIement leitende Oberflächen hervorzubringen. Die innere Silberelektrode 22 und die metallische Speiche 6 des Ringlasers sind mittels einer Schicht 18 aus leitendem Epoxydharz, welches mit Aluminium, Silber oder Gold gefüllt sein kann, elektrisch miteinander verbunden. Schließlich ist der piezoelektrische Wandler 8 durch eine konforme bzw. formengleiche Umhüllung 20 abgedeckt, welche den piezoelektrischen Wandler 8 gegenüber Atmosphäreneinwirkungen abdichtet und isoliert und aus Silikon, Epoxydharz, Schellack oder einer "anderen bekannten Isolierverbindung bestehen kann. Die Körper des piezoelektrisehen Wandlers 8 können aus irgendeinem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften bestehen, beispielsweise einem keramischen Material, insbesondere auch einem mit Strontium ■ gedoppten Blei-Zirkon-Titanat.· Der piezoelektrische Wandler 8 ist in Richtung des Pfeiles 23 vorpolarisiert.* Der Pfeil

30' 23 zeigt auch die Richtung der Aufbringung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 22 und 24- zur Hervorbringung einer Deformation des piezoelektrischen Wandlers 8 an.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Oszillationsantrieb gemäß Figur 3 und 4 für einen Ringlaser mit stationärer innerer Nabe 2, beweglicher äußerer Felge 4 und radialen Speichen 6 zur

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Verbindung derselben ist nur ein einziger piezoelektrischer Wandler 30 vorgesehen, welcher auf eine Seite der dargestell- · ten Speiche 6 aufgeklebt ist. Der piezoelektrische Wandler 30 weist auf der der Speiche 6 abgewandten Seite zwei im Abstand voneinander angeordnete Elektroden 32 und 34- sowie auf der der Speiche 6 benachbarten Seite eine Rückenelektrode 36 auf. Die beiden Elektroden 32 und 34 sind jeweils mittels.einer Verbindungsleitung 38 bzw. 40 an eine» Verstärker 42 angeschlossen, welcher am Druckzugausgang die Verbindungsleitungen 38 und 40 mit einer Wechselspannimg beaufschlagt. Die beiden Elektroden 32 und 34 sind durch einen nicht-leitenden Spalt 33 in. der Mitte des piezoelektrischen Wandlers 30 elektrisch voneinander getrennt. Der Spalt 33 liegt auf einem Kreis mit dem Radius r um den Mittelpunkt der Nabe 2 mit dem Radius a, konzentrisch zu welcher die Felge 4 mit dem Innenradius 1 angeordnet ist. Der Spaltradius r gibt den Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Nabe 2 und dem Bereich niedriger Beanspruchung der Speiche 6 wieder, wo der Spalt 33 sich befindet.

Der Bereich niedriger Beanspruchung oder der Knotenpunkt der Speiche 6 liegt nahe beim geometrischen Zentrum derselben. In manchen Fällen kann, das geometrische Zentrum zur Positionierurig des Spaltes 33 beim piezoelektrischen Wandler 30 verwendet werden. Die genaue Position des Knotenpunktes kann analytisch oder graphisch durch Konstruktion eines Momentendiagramms für die "Speiche 6 bestimmt werden.

Gemäß Figur 4 sind die beiden Elektroden 32 und 34 sowie die Rückenelektrode 36 des als Antriebselement oder Stellglied wirkenden piezoelektrischen Wandlers 30 jeweils als .einheitliches, leitendes Flächenelement ausgebildet, wobei sie auf dieselbe Weise hervorgebracht werden können, wie die Elektroden 22 und 24 gemäß Figur 2. Der piezoelektrische Wandler 30 ist auf der mit der Rückenelektrode 36 versehenen Seite mit

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der Speiche 6 vorzugsweise mittels einer Schicht 44 aus isolierendem' Epoxydharz verklebt. Da die Schicht 44 nicht mit Metall gefüllt sein muß, kann sie "beträchtlich stärker als die leitende Epoxydharz-Schicht 18 gemäß Figur 2 gemacht werden. Vorzugsweise wird die Schicht 44 in Form einer mit Epoxydharz imprägnierten Glasfaser- oder Nylonmatte auf die Speiche 6 aufgebracht. Derartige Matten sind unausgehärtet erhältlich und brauchen nur mit einer Schere zurecht geschnitten, aufgelegt und ausgehärtet zu werden, um die gewünschte Verbindung zwischen Speiche 6 und piezoelektrischem Wandler 30 zu erhalten. .

Bei dem piezoelektrischen Wandler 30 kann es sich um eine dünne, quadratische Tafel aus demselben Material wie beim piezoelektrischen Wandler 8 gemäß Figur 1 und 2 handeln. Die Tafel kann eine Seitenlänge von etwa 10 mm und eine Stärke von etwa 0,5 m aufweisen. Der Spalt 33 kann etwa 0,9 mm breit sein. Gemäß Figur 3 und 4 ist der piezoelektrische Wandler 30 bzw. die erwähnte Tafel an den beiden der Nabe 2 bzw. der Felge.4 zugewandten Enden abgeschrägt, wobei die jeweilige Schrägfläche 46 mit der der Speiche 6 benachbarten Grundfläche einen Winkel 47 von etwa 15° einschließt. Um . Beschädigungen bei der Handhabung zu vermeiden, werden die scharfen Kanten der abgeschrägten Enden entfernt.

Der Spalt 33 zwischen den beiden Elektroden 32 und 34 braucht nur so breit zu sein, wie der piezoelektrische Wandler 30 dick ist. Obwohl an sich zu erwarten wäre, daß zur Verringerung der Gefahr eines Überschlages zwischen den Elektroden und 34- die Breite des Spaltes 33 doppelt so groß wie die Dikke des piezoelektrischen Wandlers 30 sein muß, hat sich herausgestellt, daß diese Vorsichtsmaßnahme nicht erforderlich ist.. Tatsächlich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Spalt 33 so klein wie möglich zu machen, weil dadurch die Emp-

findlichkeit des piezoelektrischen Wandlers 30 verbessert wird, und zwar aufgrund von Scherung. Piezoelektrische Scherung wird nämlich gesteigert und die Speiche 6 wird durch den piezoelektrischen Wandler 30 stärker verbogen. Auch hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Elektroden 32 und 34-zunächst als eine kontinuierliche Schicht aufzubringen, in welche dann der Spalt 33 chemisch eingeäzt wird, so daß sich die voneinander getrennten, im wesentlichen gleichflächigen Elektroden 32 und 34 ergeben.

Die abgeschrägten Enden des piezoelektrischen Wandlers 30 sind wichtig. Durch das Abschrägen der Enden des piezoelektrischen Wandlers 30 wird die aus der Kopplung des mechanischen Wirkens an die Speiche 6 resultierende Beanspruchung an den Enden des piezoelektrischen Wandlers 30 abgestuft. Jedes abgeschrägte Ende hat die Wirkung, Scherkraft im Kleber über einen beträchtlichen Abschnitt der Kristallänge zu verteilen, und zwar im Vergleich mit der Konzentration der Beanspruchung, welche dann gegeben ist, wenn rechteckige Enden zur Anwendung kommen. Berechnungen der Spannungen im piezoelektrischen Wandler 30 an der Belastungskonzentrationssteile an jeder der äußeren, stumpfwinkligen Ecken haben gezeigt, daß zur Erzielung einer Spannung unterhalb der von der Materialfestigkeit eines Blei-Zirkon-Titanat-Kristalls bei möglichst·geringer Kristalldicke vorgegebenen Grenze von

2,81 kg/mm der · Abschrägungswinkel 4-7 der Enden des piezoelektrischen Wandlers 30 vorteilhafterweise bei etwa 15° liegen sollte, wie erwähnt.

Im Betrieb bewirkt die Spannungsbeaufschlagung der Elektroden 32 und 34, daß die Enden des piezoelektrischen Wandlers 30 entgegengesetzt beansprucht werden. Weil er vorpolarisiert worden' ist, wie erwähntermaßen beim bekannten Kristall der EaIl, reagiert der piezoelektrische Wandler 30 auf seiner ge-

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samten Länge dadurch, daß er sich zu einer S^fÖrmigen Gestalt verformt. Die Umkehr der aufgebrachten Polarität kehrt die Richtung der S-förmigen Gestalt um. Daher bewirkt die Anwendung einer Wechselspannung eine Hin- und Herbewegung der Enden der Speiche 6, was die gewünschte Oszillations- bzw. Zitterbewegung der Felge 4 bezüglich der Nabe 2 zur Folge hat. Darüber hinaus bewirkt die Beaufschlagung der Elektroden 32 und 34 mit einander entgegengesetzten Spannungen, daß die Rückenelektrode 36 auf der anderen Seite des piezoelektrischen Wandlers 30 virtuell zu Erde gemacht wird. Demzufolge erscheint keine Spannung vom Oszillationsantrieb über die isolierende Epoxydharz-Schicht 44 zwischen der Rückenelektrode 36 und der Speiche 6. Diese abgeglichene Ausbildung schließt Erdkontakte aus und ermöglicht die Verwendung leichter Druckzugverstärker anstelle von Trenntransformatoren.

Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE DIPL. ING. WOLF D. OEDEKOVEN DIPL. CHEM. DR. O. BERNGRUIiEU

22. Dezember 1981 2/Ha

OHE SINGER COMPANY, Stamford, Connecticut 06904, USA 10

Binglaser-Oszillationsantrieb
Ansprüche

Λ1 Oszillationsantrieb für Ringlaser mit einer stationären Nabe, einer beweglichen Felge und mindestens einer flexiblen Speiche zur Verbindung der Nabe und der Felge miteinander, wobei an der Speiche wenigstens ein wechselspannungsbeaufschlagbarer piezoelektrischer Wandler zum Verbiegen der Speiche sowie Hin- und Herbewegen der Felge um die Nabe angebracht ist, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der piezoelektrische Wandler ($0) auf der der Speiche (6) zugewandten Seite eine einzige Elektrode (36) und auf der anderen, der Speiche (6) abgewandten Seite eine nabenseitige, innere Elektrode (32) sowie eine felgenseitige, äußere Elektrode (34) aufweist, welche beide jeweils mit einer Wechselspannung beaufschlagbar sind.
2. Oszillationsantrieb nach Anspruch 1, dadurch g e kennze ichnet,· daß die innere und die äußere Elektrode (32 bzw. 3²O durch einen Spalt (33) voneinander getrennt sind, dessen Breite etwa der Dicke des piezoelektrischen Wandlers.(30) entspricht.

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3. Oszillationsantrieb nach Anspruch."1- oder 2, dadurch gekennze i.chnet, daß die innere und die äußere Elektrode (32 bzw. 3²O etwa gleich große Oberflächen aufweisen.
4·. Qszillationsantrieb nach Anspruch 1, 2 oder- 3, dadurch gekennze ichnet, daß die innere und die äußere Elektrode (32 bzw. 34-) an einen Druckzugverstärker (42) angeschlossen sind.
5. Oszillationsantrieb nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelek- · trische Wandler (30) auf der Seite mit der einzelnen Elektrode (36) mittels eines elektrisch isolierenden Klebers (44) an der Speiche (6) befestigt ist.
6. Oszillationsantrieb für Einglaser mit einer stationären Nabe, einer beweglichen Felge und mindestens einer flesiblen Speiche zur Verbindung der Nabe und der Felge miteinander, wobei an der Speiche wenigstens ein wechselspannungsbeaufschlagbarer piezoelektrischer Wandler zum Verbiegen der Speiche sowie Hin- und Herbewegen der Felge um die Nabe angebracht ist, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennz. e i chne t, daß das mechanische WirkungsZentrum des piezoelektrischen Wandlers (30) in einem Bereich niedriger Beanspruchung der Speiche .(6) angeordnet ist bzw. die innere und die äußere Elektrode - (32 bzw. 34) symmetrisch beiderseits des Bereiches niedriger Beanspruchung der Speiche (6) angeordnet sind.
7. Oszillationsantrieb für Ringlaser mit einer stationären Nabe, einer beweglichen Felge und mindestens einer fle- xiblen Speiche zur Verbindung der Nabe und der Felge miteinander, wobei an der Speiche wenigstens ein wechselspannungs-

beaufschlagbarer piezoelektrischer Wandler zum Verbiegen der Speiche sowie Hin- und Herbewegen der Felge um die Nabe angebracht ist, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der piezoelektrische Wandler (30) zur Speiche (6) hin abgeschrägte Enden aufweist.
8. Oszillationsantrieb nach Anspruch 7» dadurch g e kennze i chne t, daß die Schrägflächen (46) der abgeschrägten Enden mit der der Speiche (6) zugewandten Grundfläche des piezoelektrischen Wandlers (30) einen- Winkel (4-7) von etwa 15° einschließen.